團隊利用3D氣溶膠納米打印來增強超材料性能

一個研究小組開發(fā)了一種能夠通過3D氣溶膠納米打印檢測光的偏振和方向的超材料。他們的研究成果發(fā)表在ACSNano上。

該項研究由機械工程系、化學工程系和電氣工程系的JunsukRho教授以及浦項科技大學(POSTECH)機械工程系的博士生YounghwanYang和HongyoonKim等人領導，標志著利用廣泛用于透鏡和全息圖等應用的超材料在光操控方面取得了突破。

具體而言，三維超材料利用三維金屬結構以類似天線的方式收集和發(fā)射光線，最大限度地發(fā)揮光與物質的相互作用，有望突破傳統(tǒng)光學器件的局限性。

目前的研究多集中于二維金屬結構，其設計和制作相對簡單，但這些結構局限于固定的平面，限制了其實現(xiàn)超表面光學特性的多樣化和優(yōu)化。

通過創(chuàng)建三維而非二維的金屬納米結構，可以在單個納米結構中實現(xiàn)不同的光學響應機制。這些三維金屬納米結構可以將各種光學特性集成到單個超材料中，從而促進多功能光學傳感器的開發(fā)。

在他們的研究中，該團隊利用“3D氣溶膠納米打印技術”，通過控制電場，以并行方式從空氣中的金屬納米氣溶膠中批量生產(chǎn)任意形狀的三維納米結構。這項技術使他們能夠在典型的溫度和壓力條件下精確定位、組裝和創(chuàng)建類似于“π”形狀的3D金屬納米結構。

實驗表明，該團隊的三維金屬納米結構同時表現(xiàn)出兩種不同的光學現(xiàn)象：“局部表面等離子體共振(LSPR)”和“連續(xù)體中的準束縛態(tài)(q-BIC)”。

LSPR是指金屬結構表面的自由電子與光發(fā)生相互作用，使這些電子與特定的電磁波產(chǎn)生共振。而q-BIC則是光被金屬納米結構捕獲的現(xiàn)象。

在明確定義的狀態(tài)下，例如當光垂直入射時，與結構的相互作用最小。然而，在特定條件下，例如當光以一定角度入射時，會形成獨特形狀的能量模式，導致光看起來與結構緊密結合。

這些雙重光學特性通過提高傳感器靈敏度同時保持共振來實現(xiàn)高性能光學傳感。雖然每種現(xiàn)象都已單獨研究過，但之前從未有人證明過在單一結構中同時存在這兩種現(xiàn)象。

研究團隊還通過采用一種名為“數(shù)值孔徑檢測偏振測量法”的技術取得了突破。這種方法將π形金屬納米結構與傳統(tǒng)的傅里葉變換紅外光譜儀相結合，同時檢測光的偏振和入射角。

該功能可通過高效收集光線來精確分析光的分布，與以前的方法相比，可以更詳細地了解其偏振和方向。

浦項科技大學的JunsukRho教授表示：“這一進步將使光學濾波、超靈敏生物傳感和環(huán)境監(jiān)測等各個領域受益。”

YounghwanYang表示：“我們正在進行的研究旨在進一步開發(fā)和商業(yè)化這項技術，促進更精確、更快速的光學分析系統(tǒng)。”

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